Введение к работе
Актуальность темы
Проблема предотвращения или максимально возможного уменьшения колебаний различных объектов при воздействии на них волн является основной проблемой, определяющей способность плавающего объекта эффективно функционировать в условиях волнения. Считается, что из всех способов уменьшения волновых воздействий и колебаний, наиболее эффективным и перспективным является принцип структурной нейтрализации волновых возмущающих сил и моментов*, к тому же только он позволяет предотвращать возникновение колебаний.
Эффективность применения принципа структурной нейтрализации зависит от адекватности математической модели физических процессов, возникающих в условиях воздействия волнения на объекты, оборудованные специальными устройствами для предотвращения колебаний. Адекватная модель позволяет максимально эффективно предотвращать колебания за счет видоизменения формы объекта выбором соответствующих параметров специальных устройств, определяемых на основе относительно простого метода, реализующих его алгоритмов и комплекса программ.
До настоящего времени физические процессы, а также необходимые соотношения сил и моментов определялись либо на основе приближенного подхода, основанного на многочисленных допущениях и упрощениях, либо с использованием эмпирических или полуэмпирических методов. Как показала практика, такие подходы не являются обоснованными и не позволяют решить проблему предотвращения колебаний. В настоящее время рассматриваемые задачи могут решаться на основе наиболее общих (фундаментальных) уравнений теоретической механики и гидромеханики с применением суперкомпьютера. Однако, это не всегда обоснованно (сложно и дорого).
Отсюда очевидна важность и актуальность разработки адекватной математической модели; необходимость создания соответствующего относительно простого метода, основанных на нем алгоритмов и комплекса программ для расчета физических характеристик объектов.
* Разумеенко Ю. В., Пыльнев Ю. В. По лупо груженное основание морских сооружений: Патент России № 2011599 с приоритетом от 08.07.91. Разумеенко Ю. В., Карлинский С. Л., Быков Л. В. Полупогруженное основание морского сооружения: Патент России № 2034738 с приоритетом от 21.12.92.
Представляет также большой интерес исследование эффективности различных видоизменений форм систем объект - специальные устройства на основе вычислительного эксперимента. Представляемая к защите диссертационная работа посвящена исследованию этих вопросов.
Объект и предмет исследования
Предметами исследования являются математическая модель физических процессов, возникающих при воздействии волнения на системы объект - специальные устройства для предотвращения колебаний, параметры, физические характеристики и видоизменения форм указанных систем, обеспечивающих максимально эффективное предотвращение колебаний.
Объектом исследования являются различные плавучие инженерные сооружения (буи, плавучие буровые установки и.т.п.), оборудованные специальными устройствами для предотвращения колебаний.
Цели работы
Основными целями диссертационного исследования являются:
Разработка математической модели физических процессов, возникающих при воздействии волнения на объекты и системы объект - специальные устройства предотвращения колебаний.
Определение и оценка на основе этой модели соотношения возникающих сил и моментов для различных вариантов объектов.
Разработка метода определения необходимых видоизменений форм объектов за счет выбора соответствующих параметров специальных устройств для предотвращения колебаний и реализующего его комплекса программ.
Научная новизна
В работе представлена математическая модель, формализующая задачу описания физических процессов, возникающих при воздействии волнения на различные объекты. До настоящего времени такие задачи не ставились. Использовались понятийные и эмпирические модели.
Представленная в работе математическая модель физических процессов позволяет адекватно оценивать соотношение волновых сил и моментов, осуществлять на этой основе эффективное предотвращение колебаний за счет видоизменения форм систем объект - специальные устройства. Использовавшийся до сих пор приближенный эмпирический подход не позволял определять соотношения волновых сил и моментов, необходимые видоизменения форм и предотвращать колебания.
В работе получены выражения для коэффициентов волновых сил, позволившие сформулировать условия структурной нейтрализации, не зависящие от времени. Получены формулы для определения параметров специальных устройств в первом приближении. Это делает возможным практическое применение принципа структурной нейтрализации и выводит его на качественно новый уровень, как в смысле возможности осуществления, так и снижения необходимых для этого затрат. Ранее "применение" указанного принципа производилось эмпирическим путем на основе "метода проб и ошибок".
Предложенная в работе математическая модель представляет собой трехмерную модель обтекания объекта и свободна от ограничений, связанных с его формой. До настоящего времени использовались модели, основанные на приближенных способах представления течений (например, метод плоских сечений, или метод поправочных коэффициентов). Эти модели применимы для узкого круга объектов, имеющих специфическую форму, что резко сужало круг решаемых задач.
Разработана и применена оригинальная схема численного метода (метода дискретных вихрей) на основе треугольных вихревых элементов. Это позволяет существенно повысить точность учета формы объектов и специальных устройств, при одновременном уменьшении числа необходимых для этого расчетных точек. До сих пор использовалась разновидность метода дискретных вихрей, требовавшая для достижения того же качества большего (на два - три порядка) количества расчетных точек.
Практическая ценность
Практическая ценность работы состоит в создании метода и комплекса программ («СТАБИЛИЗАЦИЯ»), позволяющих определять физические (гидродинамические) характеристики различных объектов, производить исследования влияния видоизменений форм объектов на эффективность предотвращения колебаний, а также различные численные эксперименты. Указанный метод и комплекс программ построены на основе адекватной математической модели физических процессов, возникающих при воздействии волнения на морские объекты.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на семинарах и научно-практических конференциях, в частности: Седьмой Международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (8-9 июня 2004 г.,
г. Санкт-Петербург, ГА - 2004, ISSN 1608 - 8182), Международной конференции по морским интеллектуальным технологиям (МОРИН-ТЕХ) 2001 г. (г. Санкт-Петербург, 20 - 22 сентября, 2001 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Крыловские чтения» (г. Николаев 1987 и 1988 г.г.), семинарах в Военно-морской академии (2004 г.), в Военно-морском инженерном институте (2004, 2005, 2006 гг.).
Результаты докладывались на кафедрах факультета ПМПУ СПбГУ: кафедре компьютерного моделирования и многопроцессорных систем управления, кафедре вычислительных методов механики деформируемого тела; а также на научном семинаре института высокопроизводительных вычислений и информационных систем (СПб) в 2006 г.
Разработанная математическая модель, созданные на ее основе алгоритмы и комплекс программ внедрены в тестовую эксплуатацию в марте 2004 года в ЗАО «Петербург Регион Газ» и учебный процесс. Акты внедрения прилагается в приложении к диссертации.
Результаты работы опубликованы в открытой печати (11 работ), в том числе в реферируемом журнале «Вестник Санкт-Петербургского государственного университета» (см. перечень в конце автореферата).
Структура и объем работы
